金屬振動(dòng)陀螺諧振子性能參數(shù)的分析與研究

楊 柳，楊 勇,余 波,譚文躍,方 針

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

金屬振動(dòng)陀螺不同于傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺和基于薩格納克效應(yīng)的光學(xué)陀螺，它是一種全固態(tài)哥氏振動(dòng)陀螺，主要優(yōu)勢(shì)在于其成本低，體積小，功耗低，性能穩(wěn)定，響應(yīng)快速，抗振動(dòng)沖擊，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件且可瞬時(shí)啟動(dòng)，因而在制導(dǎo)武器、汽車、導(dǎo)航、機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

陀螺儀的技術(shù)狀態(tài)和水平是制約慣性系統(tǒng)發(fā)展的核心[1]，為提高金屬振動(dòng)陀螺的性能，眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)理論的建模與分析[2]、低成本化[3]、工藝、諧振子材料機(jī)理等的研究，結(jié)果表明，金屬振動(dòng)陀螺的性能與諧振子所選材料的屬性有關(guān)。近年來(lái)，隨著金屬振動(dòng)陀螺的不斷深入研究，已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步[4]。

本文概述了金屬振動(dòng)陀螺的工作原理、諧振子的設(shè)計(jì)、制作到成型裝配要求?；诮饘僬駝?dòng)陀螺性能參數(shù)要求。重點(diǎn)研究諧振子的材料特性及制作過(guò)程中的熱處理工藝，分析了它們對(duì)金屬諧振子性能參數(shù)的影響。

1 金屬陀螺結(jié)構(gòu)說(shuō)明

金屬振動(dòng)陀螺主要由基座、諧振子和外罩3部分組成(見(jiàn)圖1)?；c外罩焊接，將諧振子密封在真空中。薄壁金屬圓柱體的諧振子作為陀螺傳感器使用，諧振子的底部均勻分布8個(gè)圓孔，壓電片粘接在諧振子底部的8個(gè)圓孔之間，作為8個(gè)等間距電極，用來(lái)激勵(lì)和測(cè)試諧振子的振動(dòng)，并提取用于振動(dòng)幅度穩(wěn)定、相位跟蹤誤差、頻率差異等的控制信號(hào)。而諧振子底部的圓孔是用來(lái)對(duì)壓電片定位的。諧振子由標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在基座上。

圖1 金屬CVG陀螺裝配單元

2 諧振子性能參數(shù)的損耗

由于設(shè)備和加工工藝的誤差，實(shí)際的諧振子和理想的對(duì)稱形狀總存在一些偏差，易導(dǎo)致諧振子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量損耗[5]，對(duì)陀螺的噪聲和穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生影響。其中諧振子的性能參數(shù)損耗為

1/Q∑=1/Qin+1/Qenv+1/Qfix+1/Qot

(1)

式中：1/Qin為由制作諧振子和確定品質(zhì)因數(shù) (Q)值極限的材料屬性引起的內(nèi)部損耗；1/Qenv為由外部環(huán)境影響引起的損耗；1/Qfix為由諧振子圓周不對(duì)稱和底部固定差異引起的損耗；1/Qot為其他方面的損耗。

為減小諧振子的損耗，1/Qenv、1/Qfix、1/Qot可以采取相應(yīng)的措施減小甚至消除。而內(nèi)部損耗1/Qin與所選材料的屬性有關(guān)，主要由諧振子材料的選擇及其熱處理決定。為提高金屬諧振子陀螺的整體性能，希望選用Q值較高，性能參數(shù)穩(wěn)定性較好，線膨脹系數(shù)較低，同時(shí)在受熱環(huán)境中參數(shù)變化線性度高的材料。當(dāng)然，某單一材質(zhì)的材料基本達(dá)不到這種要求，需選用符合要求的低阻尼合金材料，減小金屬諧振子材料的內(nèi)在損耗。

3 諧振子性能參數(shù)的分析研究

3.1 諧振子材料的優(yōu)化選擇

金屬諧振子CVG性能指標(biāo)除了通過(guò)采用器件真空封裝技術(shù)和電路控制補(bǔ)償技術(shù)等得到提高外，有必要選用高穩(wěn)定性、高Q值材料，以減小溫度漂移和控制信號(hào)的不穩(wěn)定性。

現(xiàn)代冶金技術(shù)創(chuàng)造了大量特殊的合金，能提供溫度變化時(shí)合金參數(shù)的高穩(wěn)定性，高Q值和受熱過(guò)程中參數(shù)變化的高線性度。由于金屬元素鎳、鈷、鉬、鈦對(duì)改善金屬諧振子主要參數(shù)各具特性，成為金屬諧振子材料不可或缺的元素成分。對(duì)不同金屬元素不同含量的合金，其Q值、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)性能也有較大的差別，如Ni-SPAN-C合金902合金的線膨脹系數(shù)約為5×10-6℃-1。45NiCrTi合金和摻雜Co和Mo的其他合金具有更低的線膨脹系數(shù)，同時(shí)在受熱過(guò)程中參數(shù)線性度更好。用這種合金制成的諧振子Q值在大氣壓下超過(guò)10 000～20 000，真空中高2～3倍。針對(duì)諧振子金屬材料性能，列出Q值較高、線膨脹系數(shù)較小的幾種合金的性能參數(shù)(見(jiàn)表1)。表中,合金材料是純度較高的特殊合金。

表1 幾種合金的性能參數(shù)

由表1可知，從優(yōu)化材料的選擇，提高陀螺的穩(wěn)定性和Q，馬氏體時(shí)效鋼3J33和摻雜Co和Mo的NiTi合金較其他幾種材料性能優(yōu)越。

3.2 金屬諧振子的熱處理優(yōu)化

對(duì)金屬振動(dòng)陀螺在恒溫和-40～+50 ℃內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，-40～+50 ℃與恒溫性能相比，隨機(jī)游走系數(shù)為2倍，零偏穩(wěn)定性是6倍，這是因?yàn)閭鞲衅鲏弘娫肼暤脑黾雍椭C振子Q值改變的緣故。減小壓電噪聲可選用溫度穩(wěn)定性好的壓電材料，而諧振子Q值的改變，主要原因是諧振子材料對(duì)熱處理敏感，要想獲高Q值，就必須謹(jǐn)慎對(duì)待熱處理工藝。摻雜Co和Mo的NiTi合金和馬氏體時(shí)效鋼3J33的Q值相差不大，通過(guò)熱處理工藝，其Q值可超過(guò)30 000。

對(duì)馬氏體時(shí)效鋼3J33制作的諧振子進(jìn)行熱處理工藝研究,通過(guò)高溫固溶處理法消除材料的帶狀組織，分別選擇不同的固溶溫度(800 ℃、900 ℃、1 050 ℃、1 150 ℃),均保溫1 h，以確定在不同溫度下材料的帶狀組織是否消除(見(jiàn)圖2)。

圖2 不同固溶溫度下金相組織

由圖2可知，溫度升高到900 ℃時(shí)，帶狀組織明顯減少，在1 050 ℃，帶狀組織基本消除，對(duì)時(shí)效過(guò)程中金屬間化合物的均勻彌散析出提供了較好的條件。而根據(jù)諧振子在真空中的Q值較常溫高2～3倍。選擇在950 ℃×1 h+575 ℃×3 h，真空度在10-3Pa的條件下進(jìn)行熱處理，以提高諧振子材料的力學(xué)性能穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

選擇馬氏體時(shí)效鋼3J33對(duì)金屬振動(dòng)陀螺諧振子的性能參數(shù)優(yōu)化有較好的效果，其Q值超過(guò)20 000。目前金屬振動(dòng)陀螺研究在諧振子階段取得較大的突破，下一步需要繼續(xù)完善熱處理工藝和優(yōu)化材料選擇，使Q值可超過(guò)30 000，線膨脹系數(shù)更低，以進(jìn)一步提高金屬陀螺的性能。